晶體二極管及其電路

1、晶體二極管及其電路1第1頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)一 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的特點(diǎn)導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱(chēng)為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱(chēng)為半導(dǎo)體，如鍺（e)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和一些硫化物、氧化物等。2第2頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如： 熱敏性、光敏性：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。 微量雜質(zhì)影

2、響半導(dǎo)體導(dǎo)電性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。3第3頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三二、本征半導(dǎo)體：1、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。4第4頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：5第5頁(yè)

3、，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子6第6頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+47第7頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三2、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí)

4、,價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。（1）.載流子、自由電子和空穴的概念8第8頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子9第9頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三（2）.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子

5、。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。10第10頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。11第11頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三三 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大

6、增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（電子半導(dǎo)體）。12第12頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三1、N 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱(chēng)為施主原子。13第13頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三+4+4+5+4多余電子磷原子N 型半導(dǎo)體中

7、的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子(多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。14第14頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三2、P 型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱(chēng)為受主原子。+4+4+3+4

8、空穴硼原子P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。15第15頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三3、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。16第16頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三一 、PN 結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。1.2 PN結(jié)與晶體二極管17第17頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)

9、動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)1、擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。2、內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱(chēng)耗盡層。18第18頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)3、所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。19第19頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三+空間電荷區(qū)或耗盡層或PN結(jié)N型區(qū)P型區(qū)電位UU020第20頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r(shí)才顯

10、示出來(lái) PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負(fù)電壓。 PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓。21第21頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三+RE、外加正向電壓內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_耗盡層消失，形成較大的電流，相當(dāng)于導(dǎo)通。PN結(jié)導(dǎo)通22第22頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三、外加反向電壓+內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP_內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，耗盡區(qū)變厚。只是少子移動(dòng)，形成較小的反向電流（A), 可忽略，相當(dāng)于截止。RE多子多子少子少子PN結(jié)截止23第23頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，

11、星期三 三、PN結(jié)u-I特性曲線及表達(dá)式ui死區(qū)電壓Ur:硅管約為0.6V,鍺管約為0.2V導(dǎo)通壓降UD:硅管約為0.7V,鍺管約為0.3V。反向擊穿電壓UZUZUrUD式中：UT當(dāng)量電壓,約26mVuPN結(jié)電壓IS反向飽和電流24第24頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三四、 PN結(jié)的擊穿iuUZ電擊穿(反向擊穿)熱擊穿雪崩擊穿齊納擊穿擊穿正向熱擊穿反向熱擊穿25第25頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三五、PN結(jié)的電容效應(yīng)（形成結(jié)電容C）1、由勢(shì)壘電容CT和擴(kuò)散電容CD兩部分組成。勢(shì)壘電容：由耗盡區(qū)厚度和面積S決定且與成反比，與S成正比。正偏時(shí)，

12、CT較大，反偏時(shí)，CB較小擴(kuò)散電容：由載流子數(shù)目決定且成正比。正偏時(shí)，CD較大，反偏時(shí)，CD很小，可忽略P+-N結(jié)論：正偏時(shí)，結(jié)電容C較大；反偏時(shí)，結(jié)電容C較小且主要取決于CT26第26頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三2、PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd27第27頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三六、晶體二極管（一）、二極管的實(shí)質(zhì)和符號(hào)二極管實(shí)質(zhì)就是一個(gè)PN結(jié)，其符號(hào)為NPAK陽(yáng)極陰極（二）、二極管的結(jié)構(gòu)分類(lèi)1、點(diǎn)接觸型：適用于高頻小電流電路，作為檢波、 脈沖電路的開(kāi)關(guān)元件。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型28第28頁(yè)

13、，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三PN結(jié)2、面接觸型：適用于低頻大電流電路，作為整流元件3、平面型：集成電路，作為整流元件和開(kāi)關(guān)元件。面接觸型29第29頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三 (三)、 二極管的u-I特性曲線正向特性反向擊穿特性u(píng)i死區(qū)電壓Ur:硅管約為0.6V,鍺管約為0.2V導(dǎo)通壓降UD:硅管約為0.7V,鍺管約為0.3V。反向擊穿電壓UZUZUrUD30第30頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三(四)、參數(shù)1. 最大整流電流 IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電壓VRM二

14、極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^(guò)熱而燒壞。手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓URM一般是UZ的一半。31第31頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三3. 反向飽和電流 IS指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。4. 極間（結(jié)）電容C5.直流電阻RD、交流電阻rd32第32頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三七、常見(jiàn)的二極管實(shí)物外形33第33頁(yè)，共48頁(yè)，2

15、022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三 (五)、晶體二極管的等效模型uiUZUrUDui實(shí)際二極管的u-I特性曲線理想二極管的u-I特性曲線1、晶體二極管的理想模型、當(dāng)在二極管加上正向電壓, u0時(shí)、近似認(rèn)為u=0,i0,、當(dāng)在二極管加上反向電壓,u0.6V時(shí)、近似認(rèn)為u=0.6V,i0,、當(dāng)在二極管加上反向電壓,u0, 二極管導(dǎo)通。二極管相當(dāng)于斷開(kāi)，當(dāng)ui為負(fù)半周時(shí)，uD0 二極管截止。uiRu0則：u0=ui則：u0=uD36第36頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三例：電路如下圖所示，判斷圖中的二極管是導(dǎo)通還是截止，求電壓uO。設(shè)二極管是理想的。uD201、移掉

16、D1、D2，分別求出開(kāi)路電壓VD10、VD20VD10=4V、VD20=5V2、將D1、D2放入，則D2優(yōu)先道通3、u0=0V，VD1=-1V，uD10則D1截止則D1被箝位解：D1D2R+5V+1V0Vu0、門(mén)電路分析思想：應(yīng)運(yùn)用二極管的優(yōu)先道通及箝位概念。uD137第37頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三3、二極管限幅電路uiuo5V例:電路如圖下圖，ui10sint V，試畫(huà)出u0的波形。 ui010V-10V5Vu0ud解： ud=ui-5當(dāng) ud=ui-50,即ui0,即ui5V時(shí),二極管截止, u0=5V5V38第38頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，1

17、8點(diǎn)16分，星期三一、穩(wěn)壓管(或齊納二極管）Uz+-uiIZ1.3 特殊二極管工作于反向擊穿區(qū)IZ很大，但Vz 很小穩(wěn)壓作用反向擊穿區(qū)是可逆的DZ1、符號(hào)、伏安特性.動(dòng)態(tài)電阻39第39頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三（2）穩(wěn)定電流IZ , 且IZminIZ Izmax。（3）最大允許功耗2、穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓 UZ（5）電壓溫度系數(shù)U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。（4）動(dòng)態(tài)電阻rz 越小，穩(wěn)壓性能越好。40第40頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三UoIZDZRILIRUiRL二、穩(wěn)壓管的應(yīng)用穩(wěn)壓電路（并聯(lián)型穩(wěn)壓電路）、Ui

18、變化 負(fù)載不變2、Ui不變 負(fù)載變化穩(wěn)壓原理Uo穩(wěn)定是Dz通過(guò)Iz 的電流調(diào)節(jié)和的電壓調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的URIRUOUI(=IL+IZ)IZUO (=UI - UR )41第41頁(yè)，共48頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)16分，星期三例題：解:、當(dāng)ui=18V時(shí)，IRmin=(18-6)/510=23.5mAuoIZDZRILIRuiRL試分析輸入電壓ui在1V波動(dòng)時(shí)，試確定iL的變化范圍？當(dāng)ui=24V時(shí)，IRmax=(24-6)/510=35.3mA 2、 IZ=IR-IL.當(dāng)IR=IRmax, IL=ILmin時(shí)，流過(guò)I的電流最大，為了使穩(wěn)壓管能安全工作，應(yīng)滿足：IZmaxIRmax-ILmin ,ILminIRmax-IZmax=35.3-33=2.3mA.當(dāng)IR=IRmin, IL=ILmax時(shí)，流過(guò)I的電流最小，為了使